TW202119272A - 指紋感測裝置以及指紋感測方法 - Google Patents

Abstract

一種指紋感測裝置與方法指紋感測裝置。指紋感測裝置包括光源面板、可控聚焦層與感測陣列。光源面板的入射光通過可控聚焦層射向指紋而產生反射光。感測陣列感測指紋。感測陣列包括多個感測單元，且每個感測單元包括控制電路與感測電路。控制電路控制可控聚焦層，以調整入射光的聚焦位置。感測電路感測反射光。

Description

指紋感測裝置以及指紋感測方法

本發明是有關於一種感測裝置，且特別是有關於一種指紋感測裝置以及指紋感測方法。

指紋感測已成為許多攜帶式電子裝置進行身分認證或是取得使用授權的主要認證方式，其中，屏下式指紋感測（Fingerprint on Display）又因為其指紋感測操作不需要額外佔據電子裝置的顯示區域，因此受到使用者的廣為歡迎且被許多廠商所採用。

針對屏下式指紋感測裝置，主要可分為將指紋感測電路設置在顯示面板的上方及下方兩種方式。針對將指紋感測電路設置在顯示面板下方的設計，受限於指紋感測電路所接收到的指紋影像會經過顯示面板的濾光片與液晶層等結構，指紋影像的品質與亮度往往不佳，因此需要其他的外加光源或是準直裝置來協助提升指紋影像的品質。但額外的設計限制了使用者只能在特定區域進行指紋感測且增加製造成本。另外，由於指紋感測電路亦佔據顯示器面板的開口率，進而造成顯示面板畫面的解析度下降。

針對將指紋感測電路設置在顯示面板上方的設計，雖然不需要其他的外加光源，但同樣為了克服指紋影像的亮度問題，顯示面板的發光亮度較佳地需配合指紋感測操作以增加至400尼克（Nit）或以上，使指紋感測電路能夠正確地判斷指紋影像。這樣的亮度需求不但影響使用者觀看顯示畫面的正常使用，且進一步成為了實現屏下式指紋感測的硬體障礙。

因此，將指紋感測電路設置在顯示面板的下方，除了需要額外的光源或準直設計，且降低顯示面板的顯示畫面解析度。而將指紋感測電路設置在顯示面板的上方則需要克服顯示面板發光亮度的硬體障礙。但無論上述何者，皆會在使用者在進行正常顯示操作以及觸控操作時產生干擾。

本發明提供一種指紋感測裝置，以適應性地調整針對指紋的入射光的聚焦位置。

本發明的一種指紋感測裝置包括光源面板、可控聚焦層以及感測陣列。光源面板被配置為提供入射光。可控聚焦層被配置於光源面板上，其中入射光通過可控聚焦層射向指紋而產生反射光。感測陣列被配置為感測指紋。感測陣列包括多個感測單元。每個感測單元包括第一控制電路以及感測電路。第一控制電路被配置為控制可控聚焦層以調整入射光的聚焦位置。感測電路被配置為感測反射光。

本發明另提供一種指紋感測方法。所述指紋感測方法包括：由光源面板提供入射光，其中入射光通過可控聚焦層射向指紋產生反射光；由感測陣列感測指紋，其中感測陣列包括多個感測單元，且每個感測單元包括第一控制電路以及感測電路；由第一控制電路控制可控聚焦層以調整入射光的聚焦位置；以及由感測電路感測反射光。

基於上述，本發明的實施例所述指紋感測裝置可使光源面板所提供的入射光通過可控聚焦層射向指紋，以產生反射光。感測陣列的控制電路可以控制可控聚焦層，以適應性地調整入射光的聚焦位置。基此，感測陣列的感測電路可以感測指紋的反射光，進而感測指紋。

在本案說明書全文(包括申請專利範圍)中所使用的「耦接（或連接）」一詞可指任何直接或間接的連接手段。舉例而言，若文中描述第一裝置耦接（或連接）於第二裝置，則應該被解釋成該第一裝置可以直接連接於該第二裝置，或者該第一裝置可以透過其他裝置或某種連接手段而間接地連接至該第二裝置。另外，凡可能之處，在圖式及實施方式中使用相同標號的元件/構件/步驟代表相同或類似部分。不同實施例中使用相同標號或使用相同用語的元件/構件/步驟可以相互參照相關說明。

請參考圖1，圖1為本發明實施例一指紋感測裝置1的剖面示意圖。如圖所示，指紋感測裝置1具有光源面板10、感測陣列11、可控聚焦層12、共同電極13以及透明基板14。其中，光源面板10被配置為提供入射光E1。在圖1所示實施例中，光源面板10包含有背光模組100以及液晶顯示面板，其中所述液晶顯示面板包括多個薄膜電晶體（Thin Film Transistor、TFT）101、濾光層102以及液晶層103。背光模組100以及液晶顯示面板已是習知技術，故在此不予贅述。

可控聚焦層12被配置於光源面板10上。光源面板10所提供的入射光E1可以通過可控聚焦層12而射向指紋FP，以產生反射光R1。指紋FP具有多個紋峰PK與多個紋谷VL。一般而言，紋峰PK的反射光R1與紋谷VL的反射光R1具有不同的亮度。

感測陣列11被配置於光源面板10以及可控聚焦層12之間。圖1所示感測陣列11可以參考圖3的相關說明。感測陣列11可以透過感測反射光R1來感測指紋FP。感測陣列11包含有多個感測單元110。每個感測單元110包含有控制電路111及感測電路112。控制電路111與感測電路112可以互相交錯設置。其中，控制電路111包含有開關（例如圖3所示開關S1）及透明電極113。感測電路112包含有開關（例如圖3所示開關S2）及光感測器114。

可控聚焦層12包含有透明基板120、光學透明層121及液晶層122。其中，光學透明層121具有多個微透鏡（Lenticular）結構（如圖2A所示）。光學透明層121被設置於共同電極層13與感測陣列11之間。液晶層122覆蓋於光學透明層121上。液晶層122被設置於共同電極層13與感測陣列11之間。

可控聚焦層12上設置有共同電極13。共同電極13上設置有透明基板14。入射光E1通過可控聚焦層12射向指紋FP，以產生反射光R1。基於共同電極13的電壓，感測陣列11中的控制電路111可控制可控聚焦層12的液晶層122，以調整入射光E1的聚焦位置，而感測陣列11中的感測電路112可感測指紋FP的反射光R1。換言之，基於對可控聚焦層12的驅動/控制，指紋辨識裝置1可以對不同的聚焦位置進行多次指紋感測。

另外，感測陣列11的設計，可較佳地進行調整以適合不同面板的特性。舉例而言，在本實施例中，感測陣列11是設置在液晶顯示面板（光源面板10）上，且假設液晶顯示面板中的相鄰兩個薄膜電晶體101之間具有間距D1。因此，在感測陣列11中，控制電路111的開關S1與感測電路112的開關S2之間的間距可以被適應地設定為間距D1。如此一來，在指紋感測裝置1上方的垂直投影方向Z，開關S1及開關S2可以分別重疊於液晶顯示面板（光源面板10）的薄膜電晶體101。因此，感測陣列11可以不影響液晶顯示面板的開口率。

無論如何，光源面板10的實施方式不應受限於圖1所示實施例。依照設計需求，在另一實施例中，光源面板10可以包含有機發光二極體（Organic Light Emitting Diode、OLED）顯示面板或是其他可以發光的顯示面板。在其他實施例中，光源面板10可以是不具有顯示功能的發光源，例如具有二極體（Light Emitting Diode）或其他發光元件的發光面板。

圖2A為本發明實施例感測陣列11、可控聚焦層12、共同電極13及透明基板14的爆炸示意圖。圖2A沒有繪出部分的元件（例如感測陣列11的第一控制電路111的開關S1與感測電路112的開關S2）。如圖2A所示，透明基板120設置於控制電路111的透明電極113與感測電路112的光感測器114上。光學透明層121設置於透明基板120上。液晶層122覆蓋於光學透明層121上。共同電極13設置於液晶層122上。透明基板14設置於共同電極13上。

光學透明層121具有多個微透鏡結構（例如柱狀透鏡結構、凸透鏡結構、凹透鏡結構或是其他透鏡結構）。透明電極113及共同電極13對液晶層122施加電壓差（電場），以改變液晶排列角度（進而改變透鏡的曲率）。因此，控制電路111可透過施加於透明電極113電壓來控制可控聚焦層12的焦距，進而使入射光E1可以聚焦在不同的位置。在一實施例中，透明電極113及共同電極13的材質可以是氧化銦錫（Indium Tin Oxide，ITO）或是其他透光導電材質。

圖2B、圖2C、圖2D為依照本發明一實施例所繪示，可控聚焦層12進行不同聚焦操作的情境示意圖。其中，圖2B、圖2C、圖2D未繪示部分的元件（例如部分感測陣列11），以便於讀者閱讀。基於對控制電路111的透明電極113所進行的電壓調整，在圖2B所示的操作情境中，入射光E1通過光學透明層121及液晶層122後，入射光E1不會進行聚焦（亦不會改變其射向指紋的射出方向）。基於對不同透明電極113所進行的電壓調整，在圖2C所示的操作情境中，入射光E1通過光學透明層121及液晶層122後，入射光E1會進行聚焦。基於對不同透明電極113所進行的電壓調整，在圖2D所示的操作情境中，感測陣列11可以調整入射光E1的聚焦位置

圖3為本發明一實施例所繪示，感測陣列11的布局示意圖（俯視圖）。在此實施例中，感測陣列11包括多個感測單元，例如感測單元110。每個感測單元110包含有控制電路111、感測電路112及控制電路115。控制電路111包含有開關S1及透明電極113。依照設計需求，開關S1可以是薄膜電晶體或是其他開關元件。感測電路112包含有開關S2及光感測器114。依照設計需求，開關S2可以是薄膜電晶體或是其他開關元件。依照設計需求，光感測器114可以是光電二極體（Photodiode）、薄膜電晶體感測器（TFT Sensor）或是其他光感測元件。光電二極體與薄膜電晶體感測器為習知元件，故在此不予贅述。控制電路115包含有開關S3及透明電極116。依照設計需求，開關S3可以是薄膜電晶體或是其他開關元件。控制電路115可以參照控制電路111的相關說明來類推，因此不再贅述。

感測電路112可以被設置在控制電路111及控制電路115之間。如圖3所示，以虛線所圈選的感測單元110為例，開關S1的一端耦接於透明電極113，開關S1的另一端耦接於驅動線SL1，且開關S1的控制端耦接於閘極線GL1。開關S2的一端耦接於光感測器114，開關S2的另一端耦接於感測線SL2，且開關S2的控制端耦接於閘極線GL1。開關S3的一端耦接於透明電極116，開關S3的另一端耦接於驅動線SL3，且開關S3的控制端耦接於閘極線GL1。

在圖3所示的實施例中，閘極線GL1～GL5可依據週期順序被驅動，以便開啟不同列（row）的感測單元110來進行指紋感測。舉例來說，當開關S1與開關S3受到閘極線GL1的驅動而開啟（turn on）時，驅動線SL1、SL3的驅動電壓可被傳遞至透明電極113與116上，以控制入射光E1的聚焦位置。此時，光感測器114可接收反射光R1的能量，並將感測結果經由開關S2傳送至感測線SL2。當反射光R1的光強度大於或等於某一個預設強度時，代表入射光E1的聚焦位置上是指紋FP的紋峰PK；當反射光R1的光強度小於所述預設強度時，代表入射光E1的聚焦位置上是指紋FP的紋谷VL。

在一實施例中，閘極線GL1～GL5可操作於多個驅動訊號，配合於30Hz、60Hz、120Hz等不同的掃瞄頻率之下，因而造成入射光E1在指紋FP上有不同的反射光位置，每列的感測單元110可花費多個操作週期，來對不同的聚焦位置進行指紋感測。因此，感測陣列11可有效地增加指紋感測的精細度。

圖4A、圖4B為本發明實施例指紋感測裝置以相同驅動訊號進行指紋感測的示意圖。如圖4A所示，當透明電極113被施加以如圖4A下方所示的驅動訊號Vs1時，入射光E1經過可控聚焦層12可射向指紋FP的紋峰PK，感測電路112中的光感測器114所感測到的反射光R1的光強度大於預設強度。如圖4B所示，透明電極113被施加以如圖4A相同的驅動訊號Vs1，但使用者移動了手指在指紋感測裝置1上的位置，因此，入射光E1經過可控聚焦層12可射向指紋FP的紋谷VL，感測電路112中的光感測器114所感測到的反射光R1的光強度小於預設強度。

另外，圖4C、圖4D為本發明實施例指紋感測裝置以不同驅動訊號進行指紋感測的示意圖。如圖4C所示，當透明電極113被施加以如圖4C下方所示的驅動訊號Vs2時（舉例而言，驅動訊號Vs2的振幅大於驅動訊號Vs1的振幅），可控聚焦層12可調整入射光E1的聚焦位置以射向指紋FP上的不同於圖4A、4B所示的聚焦位置，使光感測器114據以進行判斷。如圖4D所示，當透明電極113被施加以如圖4D下方所示的驅動訊號Vs3時（舉例而言，驅動訊號Vs3的振幅大於驅動訊號Vs2的振幅），可控聚焦層12可調整入射光E1的聚焦位置以射向指紋FP上的不同於圖4A、4B、4C所示的聚焦位置。因此，可控聚焦層12可依據透明電極113所施加的驅動訊號相對應地調整入射光E1在指紋FP上的聚焦位置，針對不同聚焦位置進行感測，進而提升指紋感測裝置1的感測解析度。

圖5A為本發明實施例感測陣列11上的指紋觸碰區域A1的示意圖。在此實施例中，假設使用者的手指位於區域A1。因此，在指紋觸碰區域A1中的感測陣列11會被配置來進行指紋感測操作，而在指紋觸碰區域A1外的感測陣列11會被配置來進行觸控操作。系統（例如韌體）可以依據使用者的手勢而動態地定義所述指紋觸碰區域A1。指紋感測裝置1可以在指紋觸碰區域A1內進行指紋感測，同時在指紋觸碰區域A1外進行觸控操作。

圖5B為依照本發明實施例說明透明電極113的電壓波形示意圖。在圖5B中繪示了驅動線SL1、SL3、SL4與SL6的驅動訊號的波形。驅動線SL1、SL3、SL4與SL6上的電壓波型可被分為週期T1～T6。閘極線GL1～GL6會依據週期T1～T6的順序開啟每一列的開關。舉例而言，在週期T1時，閘極線GL1會開啟第一列的開關（例如S1～S3）；在週期T2時，閘極線GL2會開啟第二列的開關；依此類推。

請參照圖5A與圖5B。指紋觸碰區域A1覆蓋於第三列及第四列上，且覆蓋於驅動線SL3與SL4。因此，在週期T1～T2時，驅動線SL1、SL3、SL4與SL6傳遞用於進行觸控操作的驅動訊號。在週期T3～T4時，驅動線SL1與SL6會傳遞用於進行觸控操作的驅動訊號，且驅動線SL3與SL4會傳遞用於進行指紋感測操作的驅動訊號。在週期T5～T6時，驅動線SL1、SL3、SL4與SL6傳遞用於進行觸控操作的驅動訊號。

圖5C為依照本發明實施例所繪示，共同電極13-1～13-5的布局示意圖。在此假設使用者的手指位於區域A2。系統（例如韌體）可以依據使用者的手勢而動態地定義所述指紋觸碰區域A2。在指紋觸碰區域A2中的共同電極13-2～13-4會被配置來進行指紋感測操作，而在指紋觸碰區域A2外的共同電極13-1與13-5會被配置來進行觸控操作。

圖5D為依照本發明實施例說明圖5C所示共同電極13-1～13-5的驅動訊號示意圖。請參照圖5C與圖5D。共同電極13-1與13-5傳遞用於進行觸控操作的驅動訊號（例如弦波、方波、三角波或定電壓等）。共同電極13-2、13-3與13-4傳遞用於進行指紋感測測操作的參考電壓（例如共同電壓）。

圖6為本發明一實施例的指紋感測方法的流程示意圖。請參照圖1與圖6。在步驟600中，由光源面板10提供入射光E1，其中入射光E1通過可控聚焦層12射向指紋FP產生反射光R1。在步驟601中，由感測陣列11感測指紋FP，其中感測陣列11包括多個感測單元110，且每個感測單元包括控制電路111以及感測電路112。在步驟602中，由控制電路111控制可控聚焦層12以調整入射光E1的聚焦位置。在步驟603中，由感測電路112感測反射光R1。關於指紋感測裝置1的操作細節請參考上方相關篇幅，故於此不再贅述。

另外，本發明的指紋感測裝置1並非僅限於使用者的手指緊貼於指紋感測裝置1上進行指紋感測操作。使用者的手指亦懸空於指紋感測裝置1的透明基板14上方某一個特定距離。在感測電路112可以感測指紋FP的反射光R1的情況下，手指可以不接觸透明基板14而進行觸控操作與指紋感測測操作。

綜上所述，本發明諸實施例所述指紋感測裝置1可使光源面板10所提供的入射光E1通過可控聚焦層12射向指紋FP，以產生反射光R1。感測陣列11的控制電路111可以控制可控聚焦層12，以適應性地調整入射光E1的聚焦位置。基此，感測陣列11的感測電路112可以感測指紋FP的反射光R1，進而感測指紋FP。

1:指紋感測裝置 10:光源面板 100:背光模組 101:薄膜電晶體 102:濾光層 103:液晶層 11:感測陣列 110:感測單元 111、115:控制電路 112:感測電路 113、116:透明電極 114:光感測器 12:可控聚焦層 120:透明基板 121:光學透明層 122:液晶層 13、13-1、13-2、13-3、13-4、13-5:共同電極 14:透明基板 600、601、602、603:步驟 D1:間距 A1、A2:指紋觸碰區域 E1:入射光 FP:指紋 GL1、GL2、GL3、GL4、GL5:閘極線 PK:紋峰 R1:反射光 S1、S2、S3:開關 T1、T2、T3、T4:週期 SL1、SL3、SL4、SL6:驅動線 SL2、SL5:感測線 VL:紋谷 Vs1、Vs2、Vs3:驅動訊號 Z:垂直投影方向

圖1為本發明實施例一指紋感測裝置的剖面示意圖。 圖2A為本發明實施例一可控聚焦層的爆炸示意圖。 圖2B為本發明實施例一可控聚焦層進行顯示操作的示意圖。 圖2C、2D為本發明實施例一可控聚焦層進行聚焦操作的示意圖。 圖3為本發明實施例一感測陣列的俯視圖。 圖4A、4B為本發明實施例指紋感測裝置以相同驅動訊號進行指紋感測的示意圖。 圖4C、4D為本發明實施例指紋感測裝置以不同驅動訊號進行指紋感測的示意圖。 圖5A為本發明實施例透明電極上的區域的示意圖。 圖5B為本發明實施例透明電極所施加的驅動訊號示意圖。 圖5C為本發明實施例共同電極上的區域的示意圖。 圖5D為本發明實施例共同電極所施加的驅動訊號示意圖。 圖6為本發明實施例一指紋感測方法的示意圖。

1:指紋感測裝置

10:光源面板

100:背光模組

101:薄膜電晶體

102:濾光層

103:液晶層

11:感測陣列

110:感測單元

111:控制電路

112:感測電路

113:透明電極

114:光感測器

12:可控聚焦層

120:透明基板

121:光學透明層

122:液晶層

13:共同電極

14:透明基板

D1:間距

E1:入射光

FP:指紋

PK:紋峰

R1:反射光

VL:紋谷

Z:垂直投影方向

Claims (10)

1. 一種指紋感測裝置，包括： 一光源面板，被配置為提供一入射光； 一可控聚焦層，被配置於該光源面板上，其中該入射光通過該可控聚焦層射向一指紋而產生一反射光；以及 一感測陣列，被配置為感測該指紋，其中該感測陣列包括多個感測單元，且每個感測單元包括： 一第一控制電路，被配置為控制該可控聚焦層以調整該入射光的聚焦位置；以及 一感測電路，被配置為感測該反射光。
2. 如申請專利範圍第1項所述的指紋感測裝置，其中該第一控制電路及該感測電路互相交錯設置。
3. 如申請專利範圍第1項所述的指紋感測裝置，其中該光源面板為一顯示面板。
4. 如申請專利範圍第1項所述的指紋感測裝置，其中該感測陣列包括一指紋觸碰區域，於該指紋觸碰區域中的該感測陣列被配置為進行一指紋感測操作，以及於該指紋觸碰區域外的該感測陣列被配置為進行一觸控操作。
5. 如申請專利範圍第1項所述的指紋感測裝置，其中該些感測單元的每一個還包括： 一第二控制電路，被配置為控制該可控聚焦層以調整該入射光的聚焦位置； 其中該感測電路被設置於該第一控制電路與該第二控制電路之間。
6. 如申請專利範圍第1項所述的指紋感測裝置，其中該指紋感測裝置還包括一共同電極層，以及該可控聚焦層包括： 一光學透明層，具有多個微透鏡結構，其中該光學透明層被設置於該共同電極層與該感測陣列之間；以及 一液晶層，覆蓋於該光學透明層，其中該液晶層被設置於該共同電極層與該感測陣列之間。
7. 一種指紋感測方法，包括： 由一光源面板提供一入射光，其中該入射光通過一可控聚焦層射向一指紋產生一反射光； 由一感測陣列感測該指紋，其中該感測陣列包括多個感測單元，且每個感測單元包括一第一控制電路以及一感測電路； 由該第一控制電路控制該可控聚焦層以調整該入射光的聚焦位置；以及 由該感測電路感測該反射光。
8. 如申請專利範圍第7項所述的指紋感測方法，其中該第一控制電路及該感測電路互相交錯設置。
9. 如申請專利範圍第7項所述的指紋感測方法，其中該光源面板為一顯示面板。
10. 如申請專利範圍第7項所述的指紋感測方法，其中由該感測電路感測該反射光的步驟，更包括： 於該感測陣列的一指紋觸碰區域中，進行一指紋感測操作；以及 於該指紋觸碰區域外的該感測陣列的其他區域，進行一觸控操作。

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